(57)【要約】【課題】  構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる。【解決手段】  放熱器４０に接続された冷却水流路４１には、放熱器４０から燃料電池スタック２０を経由して放熱器４０に冷却水が循環する燃料電池用流路４１ａと、この燃料電池用流路４１ａに対して並列に設けられ放熱器４０から発熱機器類１３（ＰＵＣ３０のインバータ部３２、空気供給器２６、熱交換器２７及び駆動用モータ３５）を経由して放熱器４０に冷却水が循環する発熱機器用流路４１ｂとが形成されている。この発熱機器用流路４１ｂには、放熱量が小さいものから順に冷却水の流通方向に対して直列に配置されている。インバータ部３２には両面冷却機構が、熱交換器２７には空気冷却機構が、駆動用モータ３５には油冷機構が設けられ、通常よりも高めの温度の冷却水で冷却しても安定した作動を確保可能となっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池とは別であり作動時に発熱する発熱機器類と、
冷媒が循環し前記燃料電池及び前記発熱機器類を冷却するように形成されている冷媒流路と、
前記冷媒流路に接続され前記冷媒の熱を放熱させる放熱器と、
を備えた燃料電池用冷却装置。
【請求項２】
前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、
前記冷媒流路には、前記燃料電池及び前記複数の発熱機器が作動許容温度に基づいて配置されている、
請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項３】
前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、
前記冷媒流路には、前記燃料電池及び前記複数の発熱機器が放熱量に基づいて配置されている、
請求項１又は２に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項４】
前記冷媒流路には、前記放熱器から前記燃料電池を経由して前記放熱器に冷媒が循環する燃料電池用流路と該燃料電池用流路に対して並列に設けられ前記放熱器から前記発熱機器類を経由して前記放熱器に冷媒が循環する１以上の発熱機器用流路とが形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項５】
前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、
前記発熱機器用流路には、前記複数の発熱機器が作動許容温度の低いものから順に冷媒の流通方向に対して直列に配置されている、
請求項４に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項６】
前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、
前記発熱機器用流路には、前記複数の発熱機器が放熱量の小さいものから順に冷媒の流通方向に対して直列に配置されている、
請求項４又は５に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項７】
前記発熱機器類には、前記燃料電池で発電された電力を半導体チップにより変換する電力変換器が含まれる、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項８】
前記電力変換器は、前記冷媒が前記半導体チップの両面から直接又は間接的に熱量を奪うことにより前記半導体チップの冷却を行う両面冷却機構を備える、請求項７に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項９】
前記電力変換器は、相可変媒体が気化することにより前記半導体チップから熱量を奪い該気化した相可変媒体から前記冷媒が熱量を奪うことにより前記半導体チップの冷却を行う沸騰冷却機構を備える、請求項７又は８に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１０】
前記発熱機器類には、前記燃料電池に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給器が含まれる、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１１】
前記酸化ガス供給器は、前記冷媒が前記酸化ガスの熱量を奪うことにより前記酸化ガスの冷却を行う熱交換器を備える、請求項１０に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１２】
前記熱交換器は、前記冷媒が前記酸化ガスと複数回熱交換して前記酸化ガスの冷却を行う、請求項１１に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１３】
前記発熱機器類には、駆動力を発生する駆動用モータが含まれる、
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１４】
前記駆動用モータは、該駆動用モータの内部を油冷する油冷機構を備える、請求項１３に記載の燃料電池用冷却装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池用冷却装置を搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用冷却装置及びそれを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用冷却装置としては、燃料電池を冷却する第１冷媒が流通する第１冷媒流路と、発熱機器類（駆動用モータなど）を冷却する第２冷媒が流通する第２冷媒流路と、第２冷媒流路に配置された第２冷媒を冷却する放熱器とを備え、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換器により熱交換を行うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された装置は、第２冷媒により発熱機器類を冷却したのち、第２冷媒と第１冷媒との間で熱交換を行い、熱交換した第１冷媒により燃料電池を冷却し、これらの機器の冷却により暖まった第２冷媒の熱を放熱器により放熱させる。したがって、１つの放熱器で燃料電池及び発熱機器類を冷却することができる。
【特許文献１】特開２０００−３２３１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載された装置では、第１冷媒と第２冷媒との間で熱交換する熱交換器や第１冷媒流路及び第２冷媒流路の２つの独立した流路が必要であり、各流路ごとに冷媒を循環させる循環ポンプなども必要となるため、燃料電池システムを構成する部品などが多くなることがあった。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる燃料電池用冷却装置を提供することを目的の一つとする。また、そのような燃料電池用冷却装置を搭載した車両を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の冷却装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池用冷却装置は、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池とは別であり作動時に発熱する発熱機器類と、
冷媒が循環し前記燃料電池及び前記発熱機器類を冷却するように形成されている冷媒流路と、
前記冷媒流路に接続され前記冷媒の熱を放熱させる放熱器と、
を備えたものである。
【０００７】
この燃料電池用冷却装置では、燃料電池及び発熱機器類を共通の冷媒により１つの放熱器で放熱させて冷却する。したがって、燃料電池及び発熱機器類のそれぞれに異なる冷媒及び放熱器を備えたものに比べ、構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる。ここで、「発熱機器類」とは、例えば燃料電池の発電に用いる補機類（燃料ガスや酸化ガスを供給する補機類など）であってもよいし、燃料電池で発電された電力の変換に用いる補機類（電圧変換、交流・直流変換又は周波数変換に用いる補機類や電力から熱への変換又は電力から駆動力への変換に用いる補機類など）であってもよい。また、「発熱機器類を冷却する」とは、発熱機器自体を冷却する場合のほか発熱機器が操作する対象物（例えば酸化ガス供給器が供給する酸化ガスなど）を冷却する場合を含む。
【０００８】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、前記冷媒流路には、前記燃料電池及び前記複数の発熱機器が作動許容温度に基づいて配置されてもよい。こうすれば、作動許容温度に基づいて発熱機器及び燃料電池を配置して、燃料電池及び発熱機器類を作動許容温度の範囲内にすることができる。ここで、「作動許容温度」とは、発熱機器や燃料電池が安定して作動可能な温度としてもよい。
【０００９】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、前記冷媒流路には、前記燃料電池及び前記複数の発熱機器が放熱量に基づいて直列に配置されてもよい。こうすれば、放熱量に基づいて燃料電池及び発熱機器を配置して冷却することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記冷媒流路には、前記放熱器から前記燃料電池を経由して前記放熱器に冷媒が循環する燃料電池用流路と該燃料電池用流路に対して並列に設けられ前記放熱器から前記発熱機器類を経由して前記放熱器に冷媒が循環する１以上の発熱機器用流路とが形成されてもよい。こうすれば、冷媒の流通方向に対して直列に燃料電池と発熱機器類とを配置して冷媒を流通させる場合に比べ、発熱機器類が燃料電池を流通しようとする冷媒を暖めることがなく、燃料電池が発熱機器類を流通しようとする冷媒を暖めることがないため、燃料電池及び発熱機器類のそれぞれを冷却しやすい。
【００１１】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、前記発熱機器用流路には、前記複数の発熱機器が作動許容温度の低いものから順に冷媒の流通方向に対して直列に配置されてもよい。こうすれば、作動許容温度が低い発熱機器から先に冷却されるため、発熱機器類を作動許容温度の範囲内に維持しやすい。
【００１２】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、複数の発熱機器が含まれ、前記発熱機器用流路には、前記複数の発熱機器が放熱量の小さいものから順に冷媒の流通方向に対して直列に配置されてもよい。こうすれば、冷媒の流通する上流に放熱量の小さな発熱機器が配置されるため、その下流での冷媒の温度はあまり高くならない。したがって、冷媒が発熱機器を冷却するごとに生じる温度上昇をなるべく抑えて冷媒の上流から下流まで配置された発熱機器を冷却することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、前記燃料電池で発電された電力を半導体チップにより変換する電力変換器が含まれてもよい。電力変換器（例えばインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び昇圧コンバータなど）の半導体チップは、作動可能な温度を超えると作動できなくなるため、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要がある。したがって、本発明を電力変換器に適用する意義が高い。
【００１４】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記電力変換器は、前記冷媒が前記半導体チップの両面から直接又は間接的に熱量を奪うことにより前記半導体チップの冷却を行う両面冷却機構を備えてもよい。こうすれば、半導体チップの両面を冷却するため、半導体チップの片面を冷却するのに比べて十分に冷却可能であり、通常よりも高めの温度の冷媒で冷却しても安定した電力変換器の作動を確保することができる。また、本発明の燃料電池用冷却装置において、前記電力変換器は、相可変媒体が気化することにより前記半導体チップから熱量を奪い該気化した相可変媒体から前記冷媒が熱量を奪うことにより前記半導体チップの冷却を行う沸騰冷却機構を備えてもよい。こうすれば、相可変媒体の沸騰時の蒸発潜熱を利用して半導体チップを十分に冷却可能であるため、通常よりも高めの温度の冷媒で冷却しても安定した電力変換器の作動を確保することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、前記燃料電池に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給器が含まれてもよい。酸化ガス供給器は、モータなどを備えることがあるが、このモータは作動時の発熱が比較的大きく冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要がある。したがって、本発明を酸化ガス供給器に適用する意義が高い。
【００１６】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記酸化ガス供給器は、前記冷媒が前記酸化ガスの熱量を奪うことにより前記酸化ガスの冷却を行う熱交換器を備えてもよい。酸化ガス供給器からの酸化ガスは、圧縮されたりして温度が高くなることがあり、これを高温のまま燃料電池に供給すると燃料電池内部の部品が熱で溶損することがある。このため、酸化ガス供給器からの酸化ガスは、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要がある。したがって、本発明を酸化ガスの冷却を行う熱交換器に適用する意義が高い。このとき、前記熱交換器は、前記冷媒が前記酸化ガスと複数回熱交換して前記酸化ガスの冷却を行ってもよい。こうすれば、酸化ガスと冷媒との間で複数回熱交換して酸化ガスを十分に冷却可能であるため、通常よりも高めの温度の冷媒で酸化ガスを冷却しても安定した燃料電池の発電を確保することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記発熱機器類には、駆動力を発生する駆動用モータが含まれてもよい。駆動用モータ（例えば車両に搭載されるものなど）は、作動時の発熱が比較的大きいため、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要がある。したがって、本発明を駆動用モータに適用する意義が高い。
【００１８】
本発明の燃料電池用冷却装置において、前記駆動用モータは、該駆動用モータの内部を油冷する油冷機構を備えていてもよい。こうすれば、駆動用モータの内部を油冷して駆動用モータを十分に冷却可能であるため、通常よりも高めの温度の冷媒で冷却しても安定した駆動用モータの作動を確保することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池用冷却装置は、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池で発電された電力を半導体チップにより変換する電力変換器と、
前記燃料電池に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、
駆動力を発生する駆動用モータと、
前記燃料電池、前記電力変換器、前記酸化ガス供給器及び前記駆動用モータを冷媒が循環して冷却するように形成されている冷媒流路と、
前記冷媒流路に接続され前記冷媒の熱を放熱させる放熱器と、
を備えたものである。
【００２０】
この燃料電池用冷却装置では、燃料電池、電力変換器、酸化ガス供給器及び駆動用モータを共通の冷媒により１つの放熱器で放熱させて冷却する。したがって、燃料電池やこれらの機器のそれぞれに異なる冷媒及び放熱器を備えたものに比べ、構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる。なお、電力変換器、酸化ガス供給器、駆動用モータ及び冷媒流路は、上述したものを利用してもよい。
【００２１】
本発明の車両は、上述した種々の態様のいずれかの燃料電池用冷却装置を搭載したものである。本発明の燃料電池用冷却装置は、構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができるから、これを搭載した車両も同様の効果を奏するものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００２３】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池搭載車両１０のブロック図である。燃料電池搭載車両１０は、水素ボンベ２２及び水素ポンプ２４によって供給される水素（燃料ガス）と空気供給器２６から供給される空気（酸化ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２０と、電力を蓄電又は放電可能な蓄電装置３４と、電力により駆動輪１８，１８を駆動させる駆動用モータ３５と、システム全体をコントロールするパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）３０と、燃料電池スタック２０及び発熱機器類１３の冷却を行う冷却装置１２とを備える。この冷却装置１２は、作動時に発熱する発熱機器類１３及び燃料電池スタック２０の冷却水を放熱させる放熱器４０と、燃料電池システムの冷却を制御する冷却用コントローラ３７とを備える。まず、冷却装置１２の各構成から説明する。
【００２４】
放熱器４０は、車両前方に配置され、燃料電池スタック２０や作動時に発熱する燃料電池システムの発熱機器類１３（ＰＣＵ３０のインバータ部３２、空気供給器２６、熱交換器２７及び駆動用モータ３５）を循環する冷却水の熱を通風により放熱させるものである。放熱器４０には、冷却水を循環させる冷却水流路４１が接続されている。この冷却水流路４１には、放熱器４０から燃料電池スタック２０を経由して放熱器４０に冷却水が循環する燃料電池用流路４１ａと放熱器４０から発熱機器類１３を経由して放熱器４０に冷却水が循環する発熱機器用流路４１ｂとが形成されている。発熱機器用流路４１ｂは、燃料電池用流路４１ａに対して並列に設けられている。この発熱機器用流路４１ｂには、放熱量が小さいものから順にＰＣＵ３０のインバータ部３２、熱交換器２７、空気供給器２６及び駆動用モータ３５が冷却水の流通方向に対して直列に配置されている。発熱機器用流路４１ｂの入口近傍には、絞り弁４３が配設され、燃料電池用流路４１ａに所定量の冷却水（例えば１００Ｌ／分など）が流通すると一定割合の量の冷却水（例えば１０Ｌ／分など）が流通するようになっている。冷却水流路４１には、循環ポンプ４２が設けられ、この循環ポンプ４２により冷却水が循環される。また、冷却水流路４１には、放熱器４０の下流に冷却水温センサ４４が設けられ冷却水温Ｔｆが検出される。この冷却水温センサ４４は、冷却用コントローラ３７と電気的に接続されている。
【００２５】
放熱器４０を通過する風の下流には、冷却ファン４６が配置されている。冷却ファン４６は、放熱器４０へ外気を強制的に通風させる樹脂製のファンであり、図示しないモータによって回転駆動される。この冷却ファン４６は、ＰＣＵ３０を介して冷却用コントローラ３７により駆動制御される。
【００２６】
冷却用コントローラ３７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭにより構成されたコントローラであり、燃料電池スタック２０の冷却の制御を行う。この冷却用コントローラ３７には、車速センサ３８が電気的に接続されている。この冷却用コントローラ３７は、入出力ポート（図示せず）を備え、冷却水温センサ４４からの信号、車速センサ３８からの信号などが入力ポートを介して入力されている。また、冷却用コントローラ３７は、この入出力ポートを介してＰＣＵ３０に電気的に接続されており、各種制御信号やデータのやりとりを行う。また、冷却用コントローラ３７は、冷却ファン４６への駆動信号などを冷却用コントローラ３７の出力ポートを介してＰＣＵ３０に出力し、ＰＣＵ３０からの電力供給によりこれらの機器を駆動制御する。
【００２７】
ＰＣＵ３０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されたコントローラ部３１と  燃料電池スタック２０や蓄電装置３４の高電圧直流電流と駆動用モータ３５の交流電流との変換を行うインバータ部３２とを備えている。このＰＣＵ３０のコントローラ部３１は、駆動用モータ３５の負荷や蓄電装置３４の蓄電量に応じて、燃料電池スタック２０で発生した電力を駆動用モータ３５や蓄電装置３４に供給したり、蓄電装置３４に蓄積された電力を駆動用モータ３５に供給したりする制御を行う。また、減速時や制動時等において、駆動用モータ３５から得られる回生電力を蓄電装置３４に供給する。このＰＣＵ３０は、入出力ポート（図示せず）を備え、冷却用コントローラ３７からの各種制御信号などが入力ポートを介してコントローラ部３１に入力されている。
【００２８】
インバータ部３２は、電力変換器であり、パワートランジスタである半導体チップ３２ａ（例えばＩＧＢＴ素子など）で構成される３相ブリッジ回路により直流電流と３相交流電流の変換を行ったり供給する電力の電圧を変換させたりするものである。このインバータ部３２は、ＰＣＵ３０のコントローラ部３１と電気的に接続しており、コントローラ部３１により制御される。図２は、インバータ部３２の半導体チップ３２ａが収納されたインバータケース３２ｂの平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面図を表している。このインバータ部３２は、図２及び図３に示すように、冷却水が半導体チップ３２ａの両面から熱量を奪うことにより冷却を行う両面冷却機構５０を備えている。この両面冷却機構５０は、発熱機器用流路４１ｂに接続し冷却水が流通する冷却水チューブ５１と、半導体チップ３２ａの両面に配設された冷却水チューブ５１を両側から挟持する挟持板５４と、挟持板５４を固定する固定具５５と、冷却水チューブ５１及び発熱機器用流路４１ｂを接続するコネクタ部５２，５３とを備えている。なお、半導体チップ３２ａと冷却水チューブ５１との接触面には熱伝導性を高めるためシリコングリスが塗布されている。この冷却水チューブ５１の内部には、挟圧保持されても流通孔５１ａに冷却水が流通するように保持可能な保持壁部５１ｂが形成されている。このインバータ部３２は、発熱量が小さく、作動許容温度は比較的低い温度である。なお、作動許容温度は、発熱機器類１３や燃料電池スタック２０が安定して作動可能な温度として定められている。
【００２９】
蓄電装置３４は、ニッケル水素蓄電池を複数個直列に接続した構造を有し高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。この蓄電装置３４は、ＰＣＵ３０の制御によって、車両の始動時に駆動用モータ３５を駆動したり、加速時に駆動用モータ３５をアシストしたり、発熱機器類１３などに電力を供給したりする。また、この蓄電装置３４は、減速回生時に駆動用モータ３５から回生電力を回収したり、負荷に応じて燃料電池スタック２０によって充電されたりする。なお、この蓄電装置３４は、電気二重層コンデンサ（キャパシタ）などでもよい。
【００３０】
燃料電池スタック２０は、周知の固体高分子電解質型の燃料電池２１の単セルを複数積層したスタック構造を有し、高電圧電源（数百Ｖ）として機能する。燃料電池スタック２０の各単セルでは、水素ボンベ２２からの水素ガスが水素ポンプ２４で圧力・流量が調節されたあとアノードに供給され、空気供給器２６から圧力が調節された圧縮空気がカソードに供給され、所定の電気化学反応が進行することにより起電力が生じる。なお、反応しなかった余剰水素は水素ポンプ２４に送られ燃料ガスとして再利用される。この燃料電池スタック２０において、高い発電効率を発揮させるためには燃料電池スタック２０の冷却水の温度を所定の温度（例えば８０℃）に制御して冷却しなければならない。この所定の温度は、両面冷却機構５０、後述の空気冷却機構２７ａ及び油冷機構６０などの発熱機器用冷却機構類を備えていないときの発熱機器類１３の冷却水の温度に比べて高めの温度に該当する。
【００３１】
空気供給器２６は、図示しないモータにより空気を圧縮して空気供給管２６ａに供給するコンプレッサである。この空気供給器２６から供給された圧縮空気が流通する空気供給管２６ａには、図４に示すように、熱交換器２７が設けられ、圧縮されて高温になった空気を冷却して燃料電池スタック２０に供給するようになっている。この熱交換器２７には、圧縮空気の流通方向に対して複数回熱交換を行いながら冷却水が流通する空気冷却機構２７ａが形成されている。高温の空気が燃料電池スタック２０に入ると、燃料電池２１を構成する部品が溶損することがあるため、この圧縮空気の作動許容温度は低い温度となっている。なお、この圧縮空気の放熱量は比較的小さい。また、空気供給器２６のモータは、比較的発熱量が大きいため、モータの外部には冷却水が流通する発熱機器用流路４１ｂが形成され、冷却水によって冷却可能となっている。このモータの作動許容温度は比較的高い温度である。
【００３２】
駆動用モータ３５は、３相同期モータであり、燃料電池スタック２０の出力する直流電流がＰＣＵ３０によって３相交流に変換されて供給されて回転駆動力を発生する。この駆動用モータ３５によって発生した駆動力は、駆動軸１４及びディファレンシャルギア１６を介して最終的には、駆動輪１８，１８に出力され、燃料電池搭載車両１０を走行させる。図５は、駆動用モータ３５の長手方向に対して垂直な面の断面図であり、図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。この駆動用モータ３５は、図５及び図６に示すように、モータケース３５ａに固定されコイルが巻き付けられたステータ３５ｂと、ステータ３５ｂに巻き付けられたコイルの両端部であるコイルエンド３５ｃと、ステータ３５ｂの半径方向内側に配置されモータケース３５ａに回転可能に保持されているモータ軸３５ｅと、モータ軸３５ｅの外周に一体的に形成されたロータ３５ｄと、絶縁性のオイルを用いて駆動用モータ３５の内部を油冷する油冷機構６０とを備えている。ロータ３５ｄの外周近傍には、Ｎ極Ｓ極が交互になるように永久磁石３５ｆが配置されている（図５参照）。駆動用モータ３５の油冷機構６０は、ステータ３５ｂとオイルとを接触させてステータ３５ｂの冷却を行うものであり、オイル流路６１が形成されている。このオイル流路６１には、モータケース３５ａの上部にオイルポンプ６４（図１参照）によりオイルが供給される供給口６１ａが設けられている。オイル流路６１は、供給口６１ａから供給されたオイルがロータ３６ｄに接触しないようにモータ内部でオイルジャケット部６１ｃとなっている。このオイルジャケット部６１ｃの中をロータ３６ｄに接触せずにオイルが流通しコイルエンド３５ｃやステータ３５ｂに接触する。また、モータケース３５ａの下部にはオイルジャケット部６１ｃを流通したオイルが排出される排出口６１ｂが設けられている。そして、供給口６１ａから供給されたオイルがステータ３５ｂを冷却して排出口６１ｂから排出されて循環する。また、モータケース３５ａには、その外壁の下部に発熱機器用流路４１ｂに接続されモータの長手方向に冷却水が流通するウオータジャケット部３５ｇが設けられている。このように、ステータ３５ｂで発生した熱をオイルを介してモータケース３５ａに伝え、このモータケース３５ａの熱を下部に形成されたウオータジャケット部３５ｇを流通する冷却水により冷却する。この駆動用モータ３５は、車両を駆動させるため発熱量が大きく、作動許容温度は比較的高い温度である。なお、ここではステータ３５ｂの全体にオイルを接触させるとしたが、ステータ３５ｂの一部分（例えばコイルエンド３５ｃなど）にオイルを接触させてもよい。
【００３３】
次に、こうして構成された本実施例の燃料電池搭載車両１０の冷却装置１２の動作について説明する。燃料電池搭載車両１０が起動すると、まず、冷却用コントローラ３７は、燃料電池用流路４１ａに所定量の冷却水（例えば１００Ｌ／分など）が流通するように循環ポンプ４２を作動させ、駆動用モータ３５にオイルを循環させるオイルポンプ６４を作動させる。次に、冷却用コントローラ３７は、冷却水温Ｔｆ、車両の車速ｖを取得し、冷却水温Ｔｆが所定の温度（例えば８０℃）を超えているときには、冷却水温Ｔｆ、車速ｖに基づいて冷却ファン４６を回転させる電圧Ｖを設定し、設定された電圧Ｖで冷却ファン４６を回転駆動させる。ここで、電圧Ｖは、冷却水温Ｔｆ及び車速ｖが高いほど電圧が高くなるように設定されている。つまり、燃料電池スタック２０の発熱が大きくなると放熱器４０を通過する風量が大きくなるように設定されている。一方、冷却水温Ｔｆが所定の温度以下であるときには、冷却用コントローラ３７は、冷却水を冷却しないようにするため、冷却水流路４１に設けられた、冷却水が放熱器４０を通過するのを回避可能な迂回流路（図示せず）に冷却水を循環させるようにバルブ（図示せず）を切り替える。
【００３４】
ここで、循環ポンプ４２が作動し、所定量の冷却水（例えば１００Ｌ／分など）が燃料電池用流路４１ａを流通すると、絞り弁４３により調節された量の冷却水（例えば１０Ｌ／分など）が発熱機器用流路４１ｂを流通する。まず、両面冷却機構５０の冷却水チューブ５１を冷却水が流通しインバータ部３２の半導体チップ３２ａを両面から冷却する。この半導体チップ３２ａの発熱量は比較的小さいため、半導体チップ３２ａの下流での冷却水の温度上昇は小さく抑えられている。次に、熱交換器２７の空気冷却機構２７ａを冷却水が流通し、燃料電池スタック２０に供給される圧縮空気と冷却水との間で複数回熱交換して圧縮空気を冷却する。続いて、この圧縮空気を供給する空気供給器２６のモータを冷却水が冷却する。この空気供給器２６の発熱量は比較的大きい。そして、駆動用モータ３５のウオータジャケット部３５ｇを冷却水が流通して駆動用モータ３５を冷却する。このとき、オイルポンプ６４により駆動用モータ３５の内部をオイルが循環し、ステータ３５ｂで発生した熱がオイルを介してモータケース３５ａに伝えられ、このモータケース３５ａの熱を冷却水により冷却する。この駆動用モータ３５は、車両を駆動させるため発熱量が大きい。これらの発熱機器類１３を冷却して暖められた冷却水は、燃料電池スタック２０を冷却して暖められた冷却水と合流する。そして、この冷却水は、放熱器４０を通過する風によって放熱して冷却される。
【００３５】
以上詳述した本実施例の冷却装置１２を搭載した燃料電池搭載車両１０によれば、燃料電池スタック２０及び発熱機器類１３を共通の冷却水により１つの放熱器４０で放熱させて冷却するため、燃料電池スタック２０及び発熱機器類１３のそれぞれに異なる冷媒及び放熱器を備えたものに比べ、構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる。また、冷却水流路４１には、放熱器４０から燃料電池スタック２０を経由して放熱器４０に冷却水が循環する燃料電池用流路４１ａと燃料電池用流路４１ａに対して並列に設けられ放熱器４０から発熱機器類１３を経由して放熱器４０に冷却水が循環する発熱機器用流路４１ｂとが形成されているため、冷却水の流通方向に対して直列に燃料電池スタック２０と発熱機器類１３とを配置して冷却水を流通させる場合に比べ、発熱機器類１３が燃料電池スタック２０を流通しようとする冷却水を暖めることがなく、燃料電池スタック２０が発熱機器類１３を流通しようとする冷却水を暖めることがなく、燃料電池スタック２０及び発熱機器類１３のそれぞれを冷却しやすい。
【００３６】
また、発熱機器類１３の放熱量は、ＰＣＵ３０のインバータ部３２＜熱交換器２７＜空気供給器２６＜駆動用モータ３５の順であり、発熱機器用流路４１ｂには、発熱機器類１３のうち放熱量の小さいものから順に、ＰＣＵ３０のインバータ部３２、熱交換器２７、空気供給器２６及び駆動用モータ３５が冷却水の流通方向に対して直列に配置されているため、冷却水の流通する上流に放熱量の小さな発熱機器が配置され、その下流での冷却水の温度はあまり高くならず、冷却水が発熱機器を冷却するごとに生じる冷却水の温度上昇をなるべく抑えて冷却水の上流から下流まで配置された発熱機器類１３を冷却することができる。
【００３７】
更に、発熱機器類１３には、燃料電池スタック２０で発電された電力を半導体チップ３２ａにより変換するインバータ部３２が含まれている。インバータ部３２の半導体チップ３２ａは、作動可能な温度を超えると作動できなくなり、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要があるため、本発明をインバータ部３２に適用する意義が高い。また、インバータ部３２は、冷却水が半導体チップ３２ａの両面から熱量を奪うことにより半導体チップ３２ａの冷却を行う両面冷却機構を備えているため、半導体チップの片面を冷却するのに比べて十分に冷却可能であり、通常よりも高めの温度の冷却水で冷却しても安定したインバータ部３２の作動を確保することができる。
【００３８】
更にまた、発熱機器類１３には、燃料電池スタック２０に圧縮空気を供給する空気供給器２６が含まれている。空気供給器２６が備えるモータは、作動時の発熱が比較的大きく冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要があるため、本発明を空気供給器２６に適用する意義が高い。また、空気供給器２６は、冷却水が圧縮空気の熱量を奪うことにより圧縮空気の冷却を行う熱交換器２７を備えている。圧縮空気は、温度が高くなることがあり、これを高温のまま燃料電池スタック２０に供給すると燃料電池スタック２０内部の部品が熱で溶損することがある。このため、空気供給器２６からの圧縮空気は、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要がある。したがって、本発明を熱交換器２７に適用する意義が高い。このとき、熱交換器２７は、圧縮空気と冷却水との間で複数回熱交換して圧縮空気を十分に冷却可能であるため、通常よりも高めの温度の冷却水で圧縮空気を冷却しても安定した燃料電池スタック２０の発電を確保することができる。
【００３９】
そして、発熱機器類１３には、駆動力を発生する駆動用モータ３５が含まれている。駆動用モータ３５は、作動時の発熱が比較的大きいため、冷媒及び放熱器により温度制御して冷却する必要があるため、本発明を駆動用モータ３５に適用する意義が高い。また、駆動用モータ３５は、駆動用モータ３５の内部を油冷する油冷機構６０を備えているため、駆動用モータの内部を油冷して駆動用モータを十分に冷却可能であり、通常よりも高めの温度の冷却水で冷却しても安定した駆動用モータ３５の作動を確保することができる。
【００４０】
なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上述した実施例では、冷却水が半導体チップ３２ａの両面から熱量を奪うことにより冷却を行う両面冷却機構５０により半導体チップ３２ａを冷却するとしたが、図７に示すような、相可変媒体として代替フロン（例えばＨＦＣ−１３４ａなど）を利用した沸騰冷却機構７０により半導体チップ３２ａを冷却してもよい。具体的には、沸騰冷却機構７０は、半導体チップ３２ａが伝熱可能に固定された沸騰冷却容器７１により構成されている。この沸騰冷却容器７１には、代替フロンを収容する媒体収容部７１ｂと、発熱機器用流路４１ｂに接続され冷却水が流通する流通孔７１ａとが形成されている。そして、代替フロンが気化することにより半導体チップ３２ａから熱量を奪い、発熱機器用流路４１ｂを流通する冷却水が流通孔７１ａを流通してこの気化した代替フロンから熱量を奪うことにより代替フロンを凝縮させると共に半導体チップ３２ａを冷却する。こうすれば、代替フロンの沸騰時の蒸発潜熱を利用して半導体チップ３２ａを十分に冷却可能であるため、通常よりも高めの温度の冷却水で冷却しても安定したインバータ部３２の作動を確保することができる。なお、ここでは、半導体チップ３２ａの片面に沸騰冷却容器７１を固定するものとしたが、半導体チップ３２ａの両面に沸騰冷却容器７１を固定する両面沸騰冷却機構としてもよい。こうすれば、半導体チップ３２ａを更に冷却することができる。また、相可変媒体を代替フロンとしたが、水などとしてもよい。
【００４２】
また、上述した実施例では、燃料電池用流路４１ａに対して並列に発熱機器用流路４１ｂを設け、この発熱機器用流路４１ｂに発熱機器類１３を配置するとしたが、発熱機器用流路４１ｂを設けずに、冷却水に対して直列に燃料電池流路４１ａに燃料電池スタック２０及び発熱機器類１３を配置してもよい。こうすれば、より構成を簡略化して燃料電池システムの冷却を行うことができる。このとき、発熱機器類１３は、発熱機器の作動許容温度に基づいて冷却水流路４１に配置してもよいし、発熱機器の放熱量に基づいて冷却水流路４１に配置してもよい。
【００４３】
更に、上述した実施例では、燃料電池用流路４１ａに対して並列に１つの発熱機器用流路４１ｂを設け、この発熱機器用流路４１ｂに冷却水の流通方向に対して直列に複数の発熱機器を配置するとしたが、複数の発熱機器用流路４１ｂを燃料電池用流路４１ａに対して並列に設け、各流路に発熱機器を単独で配置してもよい。こうすれば、冷却水の流通方向に対して直列に複数の発熱機器を配置する場合に比べ、一方の発熱機器が他方の発熱機器を流通しようとする冷却水を暖めることがないため、発熱機器類のそれぞれを冷却しやすい。なお、複数の発熱機器用流路４１ｂに発熱機器を単独で配置するとしたが、発熱機器の放熱量と作動許容温度を加味し各発熱機器用流路に単独あるいは直列になるように適宜選択して発熱機器を配置してもよい。
【００４４】
更にまた、上述した実施例では、発熱機器用流路４１ｂには、発熱機器類１３の放熱量が小さいものから順に冷却水の流通方向に対して直列に配置するとしたが、発熱機器用流路４１ｂには、発熱機器類１３のうち作動許容温度の低いものから順に冷却水の流通方向に対して直列に配置してもよい。具体的には、発熱機器類の作動許容温度が、熱交換器２７＜インバータ部３２＜空気供給器２６＜駆動用モータ３５の順であるときには、発熱機器用流路４１ｂの上流から下流に熱交換器２７、インバータ部３２、空気供給器２６及び駆動用モータ３５の順に配置してもよい。こうすれば、作動許容温度が低い発熱機器から先に冷却するため、発熱機器類１３を作動許容温度の範囲内に維持しやすい。あるいは、発熱機器類１３の作動許容温度及び放熱量を加味して発熱機器の下流での冷却水の温度上昇が少なく抑えられ且つ発熱機器の作動許容温度内で発熱機器を冷却可能なように適宜決定して発熱機器類１３を上流から下流に発熱機器用流路４１ｂに配置してもよい。こうしても発熱機器類１３を十分に冷却してこれらを作動許容温度の範囲内に維持しやすい。なお、本実施例では、作動許容温度及び放熱量を加味しても結果的には実施例で採用した放熱量に基づく配置順となる。
【００４５】
そして、上述した実施例では、発熱機器類１３にはＰＵＣ３０のインバータ部３２、空気供給器２６、熱交換器２７及び駆動用モータ３５が含まれるとしたが、作動により発熱するものであればよく、例えば蓄電装置３４や水素ポンプ２４などが含まれてもよいし、ＤＣ−ＤＣコンバータや蓄電装置の電圧を昇圧する昇圧コンバータなどが含まれてもよい。
【００４６】
そしてまた、上述した実施例では冷却装置１２を燃料電池搭載車両１０（自動車）に適用したが、特にこれに限定されず、列車、船舶及び航空機などに適用してもよいし、住宅や発電所などの発電システムなどに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施例の燃料電池搭載車両１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本実施例の両面冷却機構５０の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本実施例の空気冷却機構２７ａの説明図である。
【図５】本実施例の油冷機構６０の説明図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】沸騰冷却機構７０の説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  燃料電池搭載車両、１２  冷却装置、１３  発熱機器類、１４  駆動軸、１６  ディファレンシャルギア、１８  駆動輪、２０  燃料電池スタック、２１  燃料電池、２２  水素ボンベ、２４  水素ポンプ、２６  空気圧縮器、２６ａ  空気供給管、２７  熱交換器、３０  ＰＣＵ、３１コントローラ部、３２インバータ部、３２ａ  半導体チップ、３２ｂ  インバータケース、３４  蓄電装置、３５  駆動用モータ、３５ａ  モータケース、３５ｂ  ステータ、３５ｃ  コイルエンド、３５ｄ  ロータ、３５ｅ  モータ軸、３５ｆ  永久磁石、３５ｇ  ウオータジャケット部、３７  冷却用コントローラ、３８  車速センサ、４０  放熱器、４１  冷却水流路、４１ａ  燃料電池用流路、４１ｂ  発熱機器用流路、４２  循環ポンプ、４３  絞り弁、４４  冷却水温センサ、４６  冷却ファン、５０  両面冷却機構、５１  冷却水チューブ、５１ａ  流通孔、５１ｂ  保持壁部、５４  挟持板、５５  固定具、５２，５３  コネクタ部、６０  油冷機構、６１  オイル流路、６１ａ  供給口、６１ｂ  排出口、６１ｃ  オイルジャケット部、６４  オイルポンプ、７０  沸騰冷却機構、７１  沸騰冷却容器、７１ａ  流通孔、７１ｂ  媒体収容部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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